RU2738096C1 - Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра - Google Patents
Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738096C1 RU2738096C1 RU2020107488A RU2020107488A RU2738096C1 RU 2738096 C1 RU2738096 C1 RU 2738096C1 RU 2020107488 A RU2020107488 A RU 2020107488A RU 2020107488 A RU2020107488 A RU 2020107488A RU 2738096 C1 RU2738096 C1 RU 2738096C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- resonator
- ions
- active medium
- red
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
- H01S3/1645—Solid materials characterised by a crystal matrix halide
- H01S3/1653—YLiF4(YLF, LYF)
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике. Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой используют полупроводниковый GaN лазерный диод, а резонатор сформирован из двух зеркал. В качестве активной среды используют кристалл LiY0.3Lu0.7F4, активированный ионами Pr3+(СPr=1 at%), резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5% в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм, причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки. Технический результат заключается в обеспечении возможности улучшения генерационных характеристик. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в красном диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.
Лазеры, генерирующие излучение в видимой области спектра, представляют большой интерес для применения в различных областях жизнедеятельности человека. Они являются источниками возбуждения с высокими энергиями фотонов, которые применяются в научных исследованиях. Высокое качество светового пучка твердотельных и газовых лазеров предполагает использование лазеров данного спектрального диапазона в конфокальной флуоресцентной микроскопии с высоким пространственным разрешением [J.A. Conchello and J. W. Lichtman. Optical sectioning microscopy. Nature methods. Vol.2. No.12. P.920-931. 2005]. В промышленности мощные лазеры видимого диапазона спектра могут быть использованы для точной и эффективной обработки металлов, таких как медь или золото, которые имеют более низкий коэффициент отражения в видимом, чем в инфракрасном спектральном диапазоне [S. Engler, R. Ramsayer, and R. Poprawe. Highly-efficient continuous-wave intra-cavity frequency-doubled Yb:LuAG thin-disk laser with 1 kW of output power. OPTICS EXPRESS. Vol.25, No.5. P.4917-4925. 6 Mar 2017]. В настоящее время в видимом диапазоне спектра работают полупроводниковые лазеры, газовые лазеры и лазеры с преобразованием частоты. Каждый из данных типов лазеров имеет недостатки по сравнению с разработанным нами твердотельным лазером: у полупроводниковых лазеров высокое значение расходимости, плохое качество пучка, газовые лазеры более габаритны, лазеры с преобразованием частоты сложнее конструктивно, и являются более дорогостоящими.
Поэтому актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.
В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы фторидов, активированные ионами Pr3+.
Одной из возможностей получения лазерной генерации видимого диапазона спектра является использование в качестве активной среды кристаллов, легированных ионами Pr3+, которые обладают большим количеством лазерных переходов в видимом диапазоне спектра: 720 нм (темно-красный, 3P0→3F3+ 3F4), 640 нм (красный, 3P0→3F2), 607 нм (оранжевый, 3P0→3H6), 523 нм (зеленый, 3P0→3H5) и т. д.
Известен волоконный лазер, генерирующий излучение на переходе 3P0→3F2 ионов Pr3+ в красном диапазоне спектра на длине волны 640 нм, содержащий фторидное волокно ZBLAN длиной 10 м, легированное ионами Pr3+. В качестве накачки использовались два Титан-Сапфировых лазера с длиной волны генерации 1010 нм и 885 нм. Ti:Sapphire лазер настроенный на 1010 нм был использован для возбуждения ионов Pr3+ из основного состояния 3H4 на мультиплет 1G4. Второй Ti:Sapphire лазер настроенный на 835 нм был использован для обеспечения возбуждения с мультиплета 1G4 на уровень 3P0. Максимальная выходная мощность составила 187 мВт, а КПД порядка 7 %. (US 5727007A, МПК H01S 3/30, опубл. 10.03.1998).
Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленной схемой накачки. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер имеет большие размеры, вследствие того что в качестве источника оптической накачки выступают два Ti:Sapphire лазера.
С развитием полупроводниковых лазерных диодов синего диапазона длин волн стало возможным получение генерации видимого диапазона спектра на кристаллах, легированных ионами Pr3+, в условиях диодной накачки. К настоящему времени наилучшие выходные характеристики в непрерывном режиме работы лазера были получены в работе [Philip Werner Metz, Fabian Reichert, Francesca Moglia, Sebastian Müller, Daniel-Timo Marzahl, Christian Kränkel and Günter Huber. High-power red, orange, and green Pr3+:LiYF4 lasers. OPTICS LETTERS. Vol.39. No.11. P.3193-3196. June 1, 2014] на кристалле LiYF4:Pr при накачке InGaAs лазерным диодом, генерирующим во второй гармонике на длине волны 479 нм. Максимальная выходная мощность на длине волны 640 нм составила 2,8 Вт с дифференциальным КПД равным 68 %.
Благодаря низкой энергии фонона и высокому значению коэффициента теплопроводности фторидная матрица LiYF4 остается пока наиболее эффективной активной кристаллической средой для празеодимовых твердотельных лазеров видимого диапазона длин волн. Однако фторидная матрица LiYF4 имеет недостатки: коэффициент распределения ионов Pr3+ во фторидном кристалле LiYF4:Pr значительно меньше 1. Поэтому задача поиска эффективной матрицы для празеодимов лазеров видимого диапазона является актуальной.
В работе [Nizamutdinov A.S., Semashko V.V., Naumov A.K., Efimov V.N., Korableva S. L., Marisov M. A. On the distribution coefficient of Ce3+ ions in LiF-LuF3-YF3 solid-solution crystals. JETP Letters. Vol.91. Iss1. P. 21–23. January 2010] было показано, что редкоземельные ионы Ce3+ и Nd3+ в смешанных фторидных кристаллах LiY1-xLuxF4 имеют более высокий коэффициент распределения примеси по сравнению с кристаллами LiYF4 и LiLuF4. Так как ионы Pr3+ имеют близкий ионный радиус с ионами Ce3+ и Nd3+. Аналогичная зависимость будет наблюдаться и для кристаллов LiY1-xLuxF4:Pr. Также кристаллы LiY1-xLuxF4 обладают лучшей фотостабильностью и более высоким оптическим качеством.
На сегодняшний день технология получения кристаллов LiY1-xLuxF4, активированных редкоземельными ионами, в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества [Shavelev A.A., Nizamutdinov A.S., Semashko V. V., Korableva S. L., Gorieva V. G. Distribution coefficient of Pr3+ ions in crystals of solid solutions LiF-LuF3-YF3-PrF3. Journal of Physics: Conference Series. Art. no. 012019. p.560. 2014].
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является твердотельный лазер, генерирующий излучение на переходе 3P0→3F2 ионов Pr3+ в красном диапазоне спектра на длине волны 639,7 нм, включающий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из двух сферических зеркал с радиусами кривизны 50 мм. Входное зеркало имело высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 640 нм. Пропускание выходного зеркала на длине волны накачки 442 нм также имело высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 640 нм составляло 0,1 %. В качестве активной среды использован кристалл LiYF4, активированный ионами Pr3+ (СPr=3 at%) длиной 7 мм. В качестве источника оптической накачки использован полупроводниковый GaN лазерный диод, генерирующий излучение на длине волны 442 нм, обеспечивающий возбуждение ионов Pr3+ из основного состояния 3H4 непосредственно на уровень 3P0. Излучение накачки фокусировалось внутрь активного элемента (среды) с помощью линзы с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки составлял порядка 50 мкм. Максимальная выходная мощность генерации в красной области спектра была получена на длине волны 639,7 нм и составила 1,8 мВт, дифференциальный КПД составлял порядка 24 % [A.Richter, E.Heumann, E.Osiac, G.Huber, W.Seelert and A.Diening. Diode pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser. Optics Letters. Vol.29. No.22. p.2638-2640. November 15, 2004].
Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленный схемой резонатора и низким (порядка 0,1%) распределением ионов Pr3+ в кристалле LiYF4. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер излучает и на длине волны накачки в синем диапазоне спектра. Так, выходное зеркало имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм, а схема лазера не предполагает использования фильтра обеспечивающего нулевое пропускание на длине волны 442 нм накачки и полное пропускание на длине волны 639,7 нм генерации.
Технический результат заключается в улучшении генерационных характеристик (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiY0.3Lu0.7F4:Pr (СPr=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе 3P0→3F2 ионов Pr3+ на длине волны 639,5 нм.
Сущность изобретения заключается в том, что компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован GaN полупроводниковый лазерный диод. В качестве активной среды используют кристалл LiY0.3Lu0.7F4, активированный ионами Pr3+ (СPr=1 at%), а резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5 % в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки.
На фиг. 1 показана оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра, на фиг. 2 представлен спектр лазерной генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiY0.3Lu0.7F4:Pr (СPr=1 at%).
Оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра ла (фиг. 1) содержит резонатор, включающий входное плоское зеркало 1 и выходное сферическое зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл LiY0.3Lu0.7F4 активированный ионами Pr3+ (LiYLuF4:Pr). В роли источника оптической накачки выступает полупроводниковый GaN лазерный диод 4, генерирующий излучение на длине волны 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируется внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Не поглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6.
Лазер работает следующим образом. Накачка активной среды, вырезанной из кристалла LiYLuF4:Pr, производилась на уровень 3P2 ионов Pr3+ GaN лазерным диодом 4 с длиной волны излучения 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируют внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки внутри активной среды 3 составляет порядка 60 мкм. Активная среда вырезана в форме параллелепипеда с размерами 3×3×10 мм, на торцы которого было нанесено антиотражающее покрытие для длины волны генерации (639,5 нм). Резонатор образован входным плоским зеркалом 1 и выходным сферическим зеркалом 2 с радиусом кривизны R=50 мм. Входное плоское зеркало 1 имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Пропускание выходного зеркала 2 на длине волны накачки 442 нм также имеет высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм составляет 2,5%. Непоглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6. Система термостабилизации (на чертеже не указана) обеспечивает поддержание температуры медной оправкой активной среды 3 примерно 18°C. Лазерная генерация на переходе 3P0→3F2 ионов Pr3+ в кристаллах LiYLuF4:Pr получена на длине 639,5 нм. Порог генерации составляет 750 мВт по поглощенной мощности накачки, максимальная выходная мощность 4230 мВт, дифференциальный КПД генерации составляет 44%.
На фиг. 2 видно, что максимум интенсивности спектра генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiYLuF4:Pr соответствует 639,5 нм.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет улучшить генерационные характеристики (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiY0.3Lu0.7F4:Pr (СPr=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе 3P0→3F2 ионов Pr3+ на длине волны 639,5 нм.
Claims (1)
- Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра, включающий фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой используют полупроводниковый GaN лазерный диод, а резонатор сформирован из двух зеркал, отличающийся тем, что в качестве активной среды используют кристалл LiY0.3Lu0.7F4, активированный ионами Pr3+(СPr=1 at%), резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5% в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм, причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107488A RU2738096C1 (ru) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107488A RU2738096C1 (ru) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2738096C1 true RU2738096C1 (ru) | 2020-12-08 |
Family
ID=73792770
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020107488A RU2738096C1 (ru) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2738096C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7769070B2 (en) * | 2006-07-26 | 2010-08-03 | Fujifilm Corporation | Solid state laser oscillator |
WO2018112444A1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Quantum-Si Incorporated | Compact mode-locked laser module |
-
2020
- 2020-02-19 RU RU2020107488A patent/RU2738096C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7769070B2 (en) * | 2006-07-26 | 2010-08-03 | Fujifilm Corporation | Solid state laser oscillator |
WO2018112444A1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Quantum-Si Incorporated | Compact mode-locked laser module |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
A.A. Lyapin и др. "Diode-pumped LiY0.3Lu0.7F4:Pr and LiYF4:Pr red lasers", Laser Physical Letters 13, всего - 6 стр., 08.11.2016. A.Richter и др. "Diode pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters, vol.29, No.22, стр. 2638-2640, 15.11.2004. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20040218652A1 (en) | Eye-safe solid state laser system and method | |
Lü et al. | Highly efficient continuous-wave intracavity frequency-doubled Nd: YVO 4-LBO laser at 457 nm under diode pumping into the emitting level 4 F 3/2 | |
WO2011115604A1 (en) | Tunable solid state laser system | |
Huber et al. | Continuous wave Praseodym solid-state lasers | |
CN106532422A (zh) | 六波长输出的被动调Qc切割Nd:YVO4自拉曼全固态激光器 | |
RU2738096C1 (ru) | Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра | |
Kalachev et al. | Study of a Tm: Ho: YLF laser pumped by a Raman shifted erbium-doped fibre laser at 1678 nm | |
Brandt et al. | Inband pumped Er: Lu2O3 and Er, Yb: YVO4 lasers near 1.6 μm for CO2 LIDAR | |
Wang et al. | 978 nm LD side-pumped Er: LuYSGG CW laser with 16.7 W output power at 2797 nm | |
Dashkevich et al. | Eye-Safe KGd (WO 4) 2 Raman Lasers: Comparative Study of Pumping of Nd: KGd (WO 4) 2 Lasers With 4 F 3/2→ 4 I 11/2 and 4 F 3/2→ 4 I 13/2 Working Transitions | |
JP2004119487A (ja) | レーザ装置 | |
Veselský et al. | The influence of low Gd3+ codoping on spectroscopic and laser properties of diode pumped Tm, Gd: SrF2 laser | |
Huang et al. | High efficiency operation of Tm: Y2O3 ceramic laser in-band pumped at 1620 nm | |
Yang et al. | Efficient Tm: LuYAG laser resonantly pumped by an Er: LuYAG laser | |
JP2001223423A (ja) | レーザー装置 | |
Aoyagi et al. | Efficient CW operation of a single-emitter multi-mode laser-diode-pumped hemispherical short cavity laser by high intensity pumping | |
Fredrich-Thornton et al. | Highly doped Yb: YAG thin-disk lasers: A comparison between single crystal and ceramic active media | |
Fibrich et al. | Pr: YAlO3 microchip lasers operating at crystal temperatures close to liquid helium temperature | |
Kratochvíl et al. | Efficient resonant diode pumping of 2 µm thulium lasers at 1.7 µm | |
Samy et al. | Efficient Nd: YAG based solar pumped single mode laser | |
CN116632640A (zh) | 双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器 | |
Pushkin et al. | Compact highly efficient 2.1-W continuous-wave mid-IR Fe: ZnSe coherent source pumped by Er: ZBLAN fiber laser | |
Dashkevich et al. | EYE-SAFE KGd [(W [O. sub. 4]). sub. 2] RAMAN LASERS: COMPARATIVE STUDY OF PUMPING OF Nd: KGd [(W [O. sub. 4]). sub. 2] LASERS WITH [sup. 4][F. sub. 3/2][right arrow][sup. 4][I. sub. 11/2] AND [sup. 4][F. sub. 3/2][right arrow][sup. 4][I. sub. 13/2] WORKING TRANSITIONS | |
Yang et al. | Highly-Efficient Ho: S i Sc 2 O 5 Laser Pumped by a Narrow Line-Width Tm: YAP Laser at 1.94 μ m | |
Filer et al. | Spectroscopy and lasing in Ho: Tm: Lu3Al5O12 |